流量傳感器原理與應用簡介

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LWGY型渦輪流量傳感器

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?流量測量的發展可追溯到古代的水利工程和城市供水系統。古羅馬凱撒時代已采用孔板測量居民的飲用水水量。公元前1000年左右古埃及用堰法測量尼羅河的流量。我國著名的都江堰水利工程應用寶瓶口的水位觀測水量大小等等。17世紀托里拆利奠定差壓式流量計的理論基礎，這是流量測量的里程碑。自那以后，18、19世紀流量測量的許多類型儀表的雛形開始形成，如堰、示蹤法、皮托管、文丘里管、容積、渦輪及靶式流量計等。20世紀由于過程工業、能量計量、城市公用事業對流量測量的需求急劇增長，才促使儀表迅速發展，微電子技術和計算機技術的飛躍發展極大地推動儀表更新換代，新型流量計如雨后春筍般涌現出來。至今，據稱已有上百種流量計投向市場，現場使用中許多棘手的難題可望獲得解決。
我國開展近代流量測量技術的工作比較晚，早期所需的流量儀表均從國外進口。
流量測量是研究物質量變的科學，質量互變規律是事物聯系發展的基本規律，因此其測量對象已不限于傳統意義上的管道液體，凡需掌握量變的地方都有流量測量的問題。流量和壓力、溫度并列為三大檢測參數。對于一定的流體，只要知道這三個參數就可計算其具有的能量，在能量轉換的測量中必須檢測此三個參數。能量轉換是一切生產過程和科學實驗的基礎，因此流量和壓力、溫度儀表一樣得到最廣泛的應用。

一、流量計的種類
用以測量管路中流體流量（單位時間內通過的流體體積）的儀表。有轉子流量計、節流式流量計、細縫流量計、容積流量計、電磁流量計、超聲波流量計等。
流量測量方法和儀表的種類繁多，分類方法也很多。至今為止，可供工業用的流量儀表種類達60種之多。品種如此之多的原因就在于至今還沒找到一種對任何流體、任何量程、任何流動狀態以及任何使用條件都適用的流量儀表。
這60多種流量儀表，每種產品都有它特定的適用性，也都有它的局限性。按測量對象劃分就有封閉管道和明渠兩大類；按測量目的又可分為總量測量和流量測量，其儀表分別稱作總量表和流量計。
總量表測量一段時間內流過管道的流量，是以短暫時間內流過的總量除以該時間的商來表示，實際上流量計通常亦備有累積流量裝置，做總量表使用，而總量表亦備有流量發訊裝置。因此，以嚴格意義來分流量計和總量表已無實際意義。
按測量原理分有力學原理、熱學原理、聲學原理、電學原理、光學原理、原子物理學原理等。
按照目前最流行、最廣泛的分類法，即分為：容積式流量計、差壓式流量計、浮子流量計、渦輪流量計、電磁流量計、流體振蕩流量計中的渦街流量計、質量流量計和插入式流量計、探針式流量計，來分別闡述各種流量計的原理、特點、應用概況及國內外的發展情況。
1、差壓式流量計
差壓式流量計是根據安裝于管道中流量檢測件產生的差壓，已知的流體條件和檢測件與管道的幾何尺寸來計算流量的儀表。
差壓式流量計由一次裝置（檢測件）和二次裝置（差壓轉換和流量顯示儀表）組成。通常以檢測件形式對差壓式流量計分類，如孔板流量計、文丘里流量計、均速管流量計等。
二次裝置為各種機械、電子、機電一體式差壓計，差壓變送器及流量顯示儀表。它已發展為三化（系列化、通用化及標準化）程度很高的、種類規格龐雜的一大類儀表，它既可測量流量參數，也可測量其它參數（如壓力、物位、密度等）。
差壓式流量計的檢測件按其作用原理可分為：節流裝置、水力阻力式、離心式、動壓頭式、動壓頭增益式及射流式幾大類。
檢測件又可按其標準化程度分為二大類：標準的和非標準的。
所謂標準檢測件是只要按照標準文件設計、制造、安裝和使用，無須經實流標定即可確定其流量值和估算測量誤差。
非標準檢測件是成熟程度較差的，尚未列入國際標準中的檢測件。
差壓式流量計是一類應用最廣泛的流量計，在各類流量儀表中其使用量占居首位。近年來，由于各種新型流量計的問世，它的使用量百分數逐漸下降，但目前仍是最重要的一類流量計。
優點：
（1）應用最多的孔板式流量計結構牢固，性能穩定可靠，使用壽命長；
（2）應用范圍廣泛，至今尚無任何一類流量計可與之相比擬；
（3）檢測件與變送器、顯示儀表分別由不同廠家生產，便于規模經濟生產。
缺點：
（1）測量精度普遍偏低；
（2）范圍度窄，一般僅3：1~4：1；
（3）現場安裝條件要求高；
（4）壓損大（指孔板、噴嘴等）。
注：一種新型產品：引進美國航天航空局而開發的平衡流量計，這種流量計的測量精度是傳統節流裝置的5-10倍，永久壓力損失1/3。壓力恢復快2倍，最小直管段可以小至1.5D，安裝和使用方便，大大減少流體運行的能力消耗。
應用概況：
差壓式流量計應用范圍特別廣泛，在封閉管道的流量測量中各種對象都有應用，如流體方面：單相、混相、潔凈、臟污、粘性流等；工作狀態方面：常壓、高壓、真空、常溫、高溫、低溫等；管徑方面：從幾mm到幾m；流動條件方面：亞音速、音速、脈動流等。它在各工業部門的用量約占流量計全部用量的1/4~1/3。

2、浮子流量計
浮子流量計，又稱轉子流量計，是變面積式流量計的一種，在一根由下向上擴大的垂直錐管中，圓形橫截面的浮子的重力是由液體動力承受的，從而使浮子可以在錐管內自由地上升和下降。
浮子流量計是僅次于差壓式流量計應用范圍最寬廣的一類流量計，特別在小、微流量方面有舉足輕重的作用。
80年代中期，日本、西歐、美國的銷售金額占流量儀表的15%~20%。中國產量1990年估計在12~14萬臺，其中95%以上為玻璃錐管浮子流量計。
特點：
（1）玻璃錐管浮子流量計結構簡單，使用方便，缺點是耐壓力低，有玻璃管易碎的較大風險；
（2）適用于小管徑和低流速；
（3）壓力損失較低。

3、容積式流量計
容積式流量計，又稱定排量流量計，簡稱PD流量計，在流量儀表中是精度最高的一類。它利用機械測量元件把流體連續不斷地分割成單個已知的體積部分，根據測量室逐次重復地充滿和排放該體積部分流體的次數來測量流體體積總量。
容積式流量計按其測量元件分類，可分為橢圓齒輪流量計、刮板流量計、雙轉子流量計、旋轉活塞流量計、往復活塞流量計、圓盤流量計、液封轉筒式流量計、濕式氣量計及膜式氣量計等。
優點：
（1）計量精度高；
（2）安裝管道條件對計量精度沒有影響；
（3）可用于高粘度液體的測量；
（4）范圍度寬；
（5）直讀式儀表無需外部能源可直接獲得累計，總量，清晰明了，操作簡便。
缺點：
（1）結果復雜，體積龐大；
（2）被測介質種類、口徑、介質工作狀態局限性較大；
（3）不適用于高、低溫場合；
（4）大部分儀表只適用于潔凈單相流體；
（5）產生噪聲及振動。
應用概況：
容積式流量計與差壓式流量計、浮子流量計并列為三類使用量最大的流量計，常應用于昂貴介質（油品、天然氣等）的總量測量。
工業發達國家近年PD流量計（不包括家用煤氣表和家用水表）的銷售金額占流量儀表的13%~23%；我國約占20%，1990年產量（不包括家用煤氣表）估計為34萬臺，其中橢圓齒輪式和腰輪式分別約占70%和20%。

4、渦輪流量計
渦輪流量計，是速度式流量計中的主要種類，它采用多葉片的轉子（渦輪）感受流體平均流速，從而且推導出流量或總量的儀表。
一般它由傳感器和顯示儀兩部分組成，也可做成整體式。
渦輪流量計和容積式流量計、科里奧利質量流量計稱為流量計中三類重復性、精度最佳的產品，作為十大類型流量計之一，其產品已發展為多品種、多系列批量生產的規模。
優點：
（1）高精度，在所有流量計中，屬于最精確的流量計；
（2）重復性好；
（3）元零點漂移，抗干擾能力好；
（4）范圍度寬；
（5）結構緊湊。
缺點：
（1）不能長期保持校準特性；
（2）流體物性對流量特性有較大影響。
應用概況：
渦輪流量計在以下一些測量對象獲得廣泛應用：石油、有機液體、無機液、液化氣、天然氣和低溫流體統在歐洲和美國，渦輪流量計在用量上是僅次于孔板流量計的天然計量儀表，僅荷蘭在天然氣管線上就采用了2600多臺各種尺寸，壓力從0.8~6.5MPa的氣體渦輪流量計，它們已成為優良的天然氣計量儀表。

5、電磁流量計
電磁流量計是根據法拉弟電磁感應定律制成的一種測量導電性液體的儀表。
電磁流量計有一系列優良特性，可以解決其它流量計不易應用的問題，如臟污流、腐蝕流的測量。
70、80年代電磁流量在技術上有重大突破，使它成為應用廣泛的一類流量計，在流量儀表中其使用量百分數不斷上升。
優點：
（1）測量通道是段光滑直管，不會阻塞，適用于測量含固體顆粒的液固二相流體，如紙漿、泥漿、污水等；
（2）不產生流量檢測所造成的壓力損失，節能效果好；
（3）所測得體積流量實際上不受流體密度、粘度、溫度、壓力和電導率變化的明顯影響；
（4）流量范圍大，口徑范圍寬；
（5）可應用腐蝕性流體。
缺點：
（1）不能測量電導率很低的液體，如石油制品；
（2）不能測量氣體、蒸汽和含有較大氣泡的液體；
（3）不能用于較高溫度。
應用概況：
電磁流量計應用領域廣泛，大口徑儀表較多應用于給排水工程；中小口徑常用于高要求或難測場合，如鋼鐵工業高爐風口冷卻水控制，造紙工業測量紙漿液和黑液，化學工業的強腐蝕液，有色冶金工業的礦漿；小口徑、微小口徑常用于醫藥工業、食品工業、生物化學等有衛生要求的場所。

6、渦街流量計
渦街流量計是在流體中安放一根非流線型游渦發生體，流體在發生體兩側交替地分離釋放出兩串規則地交錯排列的游渦的儀表。
渦街流量計按頻率檢出方式可分為：應力式、應變式、電容式、熱敏式、振動體式、光電式及超聲式等。
渦街流量計是屬于最年輕的一類流量計，但其發展迅速，目前已成為通用的一類流量計。
優點：
（1）結構簡單牢固；
（2）適用流體種類多；
（3）精度較高；
（4）范圍度寬；
（5）壓損小。
缺點：
（1）不適用于低雷諾數測量；
（2）需較長直管段；
（3）儀表系數較低（與渦輪流量計相比）；
（4）儀表在脈動流、多相流中尚缺乏應用經驗。

7、超聲波流量計
超聲波流量計是通過檢測流體流動對超聲束（或超聲脈沖）的作用以測量流量的儀表。
根據對信號檢測的原理超聲流量計可分為傳播速度差法（直接時差法、時差法、相位差法和頻差法）、波束偏移法、多普勒法、互相關法、空間濾法及噪聲法等。
超聲流量計和電磁流量計一樣，因儀表流通通道未設置任何阻礙件，均屬無阻礙流量計，是適于解決流量測量困難問題的一類流量計，特別在大口徑流量測量方面有較突出的優點，近年來它是發展迅速的一類流量計之一。
優點：
（1）可做非接觸式測量；
（2）為無流動阻撓測量，無壓力損失；
（3）可測量非導電性液體，對無阻撓測量的電磁流量計是一種補充。
缺點：
（1）傳播時間法只能用于清潔液體和氣體；而多普勒法只能用于測量含有一定量懸浮顆粒和氣泡的液體；
（2）多普勒法測量精度不高。
應用概況：
（1）傳播時間法應用于清潔、單相液體和氣體。典型應用有工廠排放液、：怪液、液化天然氣等；
（2）氣體應用方面在高壓天然氣領域已有使用良好的經驗；
（3）多普勒法適用于異相含量不太高的雙相流體，例如：未處理污水、工廠排放液、臟流程液；通常不適用于非常清潔的液體。

8、科里奧利質量流量計
科里奧利質量流量計（以下簡稱CMF）是利用流體在振動管中流動時，產生與質量流量成正比的科里奧利力原理制成的一種直接式質量流量儀表。
我國CMF的應用起步較晚，近年已有幾家制造廠自行開發供應市場；還有幾家制造廠組建合資企業或引用國外技術生產系列儀表。

9、熱式氣體質量流量計
熱式流量計傳感器包含兩個傳感元件，一個速度傳感器和一個溫度傳感器。它們自動地補償和校正氣體溫度變化。儀表的電加熱部分將速度傳感器加熱到高于工況溫度的某一個定值，使速度傳感器和測量工況溫度的傳感器之間形成恒定溫差。當保持溫差不變時，電加熱消耗的能量，也可以說熱消散值，與流過氣體的質量流量成正比。
熱式氣體質量流量計即Mass Flow Meter（縮寫為MFM），它是氣體流量計量中新型儀表，區別于其它氣體流量計不需要進行壓力和溫度修正，直接測量氣體的質量流量，一支傳感器可以做到量程從極低到高量程。它適合單一氣體和固定比例多組份氣體的測量。
熱式氣體質量流量計是用于測量和控制氣體質量流量的新型儀表?？捎糜谑?、化工、鋼鐵、冶金、電力、輕工、醫藥、環保等工業部門的空氣、烴類氣體、可燃性氣體、煙道氣體的監測。
特點：
（1）可靠性高，重復性好，測量精度高，壓損小；
（2）無活動部件，量程比寬，響應速度快，無須溫壓補償。
應用：
（1）工業管道中氣體質量流量測量；
（2）煙囪排出的煙氣流速測量；
（3）煅燒爐煙道氣流量測量；
（4）燃氣過程中空氣流量測量；
（5）壓縮空氣流量測量；
（6）半道體芯片制造過程中氣體流量測量；
（7）污水處理中氣體流量測量；
（8）加熱通風和空調系統中的氣體流量測量；
（9）熔劑回收系統氣體流量測量；
（10）燃燒鍋爐中燃燒氣體流量測量；
（11）天然氣、火炬氣、氫氣等氣體流量測量；
（12）啤酒生產過程中二氧化碳氣體流量測量；
（13）水泥、卷煙、玻璃廠生產過程中氣體質量流量測量。

10、明渠流量計
與前述幾種不同，它是在非滿管狀敞開渠道測量自由表面自然流的流量儀表。
非滿管態流動的水路稱作明渠，測量明渠中水流流量的稱作明渠流量計（open channel flowmeter）。
明渠流量計除圓形外，還有U字形、梯形、矩形等多種形狀。
明渠流量計應用場所有城市供水引水渠；火電廠引水和排水渠、污水治理流入和排放渠；工礦企業水排放以及水利工程和農業灌溉用渠道。有人估計1995臺，約占流量儀表整體的1.6%，但是國內應用尚無估計數據。

二、新工作原理流量儀表的研究和開發
1、靜電流量計（electrostatic flowmeter）
日本東京技術學院研制適用于石油輸送管線低導電液體流量測量的靜電流量計。
靜電流量計的金屬測量管絕緣地與管系連接，測量電容器上靜電荷便可知道測量管內的電荷。他們分別作了內徑4~8mm銅、不銹鋼等金屬和塑料測量管儀表的實流試驗，試驗表明流量與電荷之間接近于線性。
2、復合效應流量儀表（combined effects meter）
該儀表的工作原理是基于流體的動量和壓力作用于儀表腔體產生的變形，測量復合效應的變形求取流量。本儀表由美國GMI工程和管理學院開發，已申請兩項專利。
3、轉速表式流量傳感器（tachmetric flowrate sensor）
它是由俄羅斯科學工程中心工業儀表公司開發，是基于懸浮效應理論研制的。該儀表已在若干現場成功的應用（例如在核電站安裝2000余臺測量熱水流量，連續使用8年），且還在改進以擴大應用領域。

三、幾種流量儀表應用和發展動向
1、科里奧利質量流量計（CMF）：國外已發展30余系列，各系列開發在技術上著眼點在于流量檢測測量管結構上設計創新；提高儀表零點穩定性和精確度等性能；增加測量管撓度，提高靈敏度；改善測量管應力分布，降低疲勞損壞，加強抗振動干擾能力等。
2、電磁流量計（EMF）：從50年代初進入工業應用以來，使用領域日益擴展，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占16%~20%。
我國近年發展迅速，1994年銷售估計為6500~7500臺。國內已生產最大口徑為2~6m的ENF，并有實流校驗口徑3m的設備能力。
3、渦街流量計（USF）：在60年代后期進入工業應用，80年代后期起在各國流量儀表銷售金額中已占4%~6%。1992年世界范圍估計銷售量為3.54.8萬臺，同期國內產品估計在8000~9000臺。
4、威力巴流量計：采用了完全符合空氣動力學原理的工程結構設計，是一種在精度、功效及可靠方面達到了無比卓越程度的傳感元件。